CN106003101B - 机器人控制装置以及机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人控制装置以及机器人系统，为了能够进行考虑时间响应波形并且自由度较高的控制的设定，本发明的机器人控制装置具备：控制部，其获取驱动机器人的驱动部的驱动位置和由力检测器检测作用于上述机器人的作用力而得的检测值，并基于上述检测值、第1设定值和第2设定值来控制上述驱动部；第1显示部，其显示上述检测值的时间响应波形亦即检测波形；第2显示部，其显示预先存储在存储介质中的上述作用力的时间响应波形亦即存储波形；以及接受部，其至少接受上述第2设定值的设定。

Description

机器人控制装置以及机器人系统

技术领域

本发明涉及机器人控制装置以及机器人系统。

背景技术

以往已知一种自动地调整阻抗控制的虚拟惯性参数、虚拟粘性参数、和弹性系数的机器人示教系统(参照专利文献1)。专利文献1中求出使力波形不发散的系数、力反馈值的响应良好的系数、能够以较小的延迟快速追随的系数。

专利文献1：日本特开2014－128857号公报

然而，根据机器人进行的作业内容、用户的希望，也存在不一定满足自动地调整为力波形良好的结果的情况。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而创作出的，其目的之一在于提供一种能够进行考虑时间响应波形并且自由度较高的控制的设定的技术。

用于实现上述目的机器人控制装置具备：控制部，其获取驱动机器人的驱动部的驱动位置和由力检测器检测出作用于机器人的作用力的检测值，并基于检测值、第1设定值和第2设定值来控制驱动部；第1 显示部，其显示检测值的时间响应波形亦即检测波形；第2显示部，其显示预先存储在存储介质中的作用力的时间响应波形亦即存储波形；以及接受部，其至少接受第2设定值的设定。

在以上的构成中，与预先存储在存储介质中的存储波形相比较，用户能够容易地判断力检测器实际检测出的检测波形是否成为所希望的形状，并能够以检测波形成为所希望的形状的方式进行第2设定值的设定。由于能够以检测波形成为所希望的形状的方式设定第2设定值，所以能够进行考虑时间响应波形并且自由度较高的控制的设定。

此外，技术方案所记载的各机构的功能通过由结构本身确定功能的硬件资源、通过程序确定功能的硬件资源、或者它们的组合来实现。另外，这些各机构的功能并不限于通过各自物理上相互独立的硬件资源来实现。

附图说明

图1是机器人系统的示意图。

图2是机器人系统的框图。

图3是示教处理的流程图。

图4是表示GUI的图。

具体实施方式

以下，按照以下的顺序，参照附图对本发明的实施方式进行说明。此外，对各图中对应的构成部件标注同一附图标记，省略重复的说明。

(1)第1实施方式：

作为本发明的第一实施例的机器人系统如图1所示，具备机器人1、末端执行器2、控制终端3(控制器)、和示教终端4(示教器)。控制终端3和示教终端4构成本发明的机器人控制装置。控制终端3构成本发明的控制部。控制终端3和示教终端4分别可以是专用计算机，也可以是安装有用于机器人1的程序的通用计算机。并且，控制终端3和示教终端4可以不是单独的计算机，也可以是单一的计算机。

机器人1是具备一个臂A的单臂机器人，作为驱动部的臂A具备6 个关节J1、J2、J3、J4、J5、J6。通过关节J1、J2、J3、J4、J5、J6 来连结6个臂部件A1～A6。关节J2、J3、J5为弯曲关节，关节J1、 J4、J6为扭转关节。在关节J6安装用于对工件进行把持、加工等的末端执行器2。将前端的关节J6的旋转轴上的规定位置表示为工具中心点 (TCP)。TCP的位置成为各种末端执行器2的位置的基准。另外，关节J6中具备力传感器FS。力传感器FS为6轴的力检测器。力传感器FS对相互正交的三个检测轴上的力的大小和绕该三个检测轴的转矩的大小进行检测。

图1中，把持工件W的末端执行器2被安装在关节J6的前端。将规定设置有机器人1的空间的坐标系表示为机器人坐标系。机器人坐标系是由水平面上相互正交的X轴与Y轴、和将铅垂朝上作为正方向的Z 轴规定的三维的正交坐标系。另外，利用RX表示绕X轴的旋转角，利用RY表示绕Y轴的旋转角，利用RZ表示绕Z轴的旋转角。通过X、 Y、Z方向的位置能够表现三维空间中的任意位置，通过RX、RY、RZ 方向的旋转角能够表现三维空间中的任意姿势(旋转方向)。以下，记作位置的情况，也可能意味姿势。另外，记作力的情况，也可能意味作用于RX、RY、RZ方向上的转矩。控制终端3通过驱动臂A，在机器人坐标系中控制TCP的位置。

图2是机器人系统的框图。控制终端3中安装有用于进行机器人1 的控制的控制程序。控制终端3具备处理器、RAM、ROM，这些硬件资源与控制程序进行协作。由此，控制终端3作为控制部发挥作用。

控制终端3控制臂A以便利用TCP实现例如通过用户的示教作业而设定的目标位置和目标力。所谓的目标力是力传感器FS应检测的力。 S的文字表示规定机器人坐标系的轴的方向(X、Y、Z、RX、RY、RZ) 中的任意一个方向。例如，在S＝X的情况下，在机器人坐标系中所设定的目标位置的X方向分量记作S_t＝X_t，目标力的X方向分量记作f_St＝f_Xt。另外，S也表示S方向的位置。

机器人1除了图1所图示的构成之外还具备作为驱动部的马达 M1～M6、和编码器E1～E6。马达M1～M6和编码器E1～E6与关节 J1～J6的各个对应地设置，编码器E1～E6检测马达M1～M6的驱动位置。所谓的控制臂A意味控制马达M1～M6。控制终端3能够与机器人1进行通信。控制终端3存储马达M1～M6的驱动位置的组合与机器人坐标系中的TCP的位置的对应关系U。另外，控制终端3按照机器人1进行的作业的每个工序来存储目标位置S_t和目标力f_St。目标位置S_t和目标力f_St通过后述的示教作业来设定。

控制终端3若获取马达M1～M6的驱动位置D_a，则基于对应关系U 将该驱动位置D_a转换为机器人坐标系中的TCP的位置S(X，Y，Z， RX，RY，RZ)。控制终端3基于TCP的位置S和力传感器FS的检测值，在机器人坐标系中确定现实中作用在力传感器FS上的作用力f_S。此外，力传感器FS在单独的坐标系中检测检测值，但力传感器FS与 TCP的相对位置/方向作为已知的数据被存储，所以控制终端3能够确定机器人坐标系中的作用力f_S。控制终端3对作用力f_S进行重力补偿。重力补偿是从作用力f_S除去重力分量。另外，进行了重力补偿的作用力 f_S能够视为作用在工件上的重力以外的力。

控制终端3通过将目标力f_St和作用力f_S代入阻抗控制的运动方程式来确定力产生修正量ΔS。(1)式为阻抗控制的运动方程式。

【数式1】

(1)式的左边由对TCP的位置S的二阶微分值乘以虚拟惯性参数 m而得的第1项、对TCP的位置S的微分值乘以虚拟粘性参数d而得的第2项、以及对TCP的位置S乘以虚拟弹性参数k而得的第3项构成。(1)式的右边由从目标力f_St减去现实的力f所得的力偏差Δf_S(t) 构成。所谓的(1)式中的微分意味对时间的微分。在机器人1进行的工序中，有时设定恒定值作为目标力f_St，也有时设定通过取决于时间的函数而导出的值作为目标力f_St。

所谓的阻抗控制是通过马达M1～M6来实现虚拟的机械式阻抗的控制。虚拟惯性参数m意味TCP虚拟地具有的质量，虚拟粘性参数d 意味TCP虚拟地受到的粘性阻力，虚拟弹性参数k意味TCP虚拟地受到的弹力的弹簧常数。各参数m、d、k可以按照每个方向而设定为不同的值，也可以不管方向如何都设定为通用的值。力产生修正量ΔS意味TCP受到机械阻抗的情况下，为了消除与目标力f_St的力偏差Δf_S(t)，而TCP应移动的位置S的大小。控制终端3通过在目标位置S_t加上力产生修正量ΔS来确定考虑了阻抗控制的修正目标位置(S_t+ΔS)。

而且，控制终端3基于对应关系U将规定机器人坐标系的各轴的方向的修正目标位置(S_t+ΔS)转换为各马达M1～M6的目标的驱动位置亦即目标驱动位置D_t。而且，控制终端3通过从目标驱动位置D_t减去马达M1～M6的现实的驱动位置D_a来计算驱动位置偏差D_e(＝D_t－D_a)。而且，控制终端3通过将对驱动位置偏差D_e乘以位置控制增益 K_p所得的值、和其与作为现实的驱动位置D_a的时间微分值的驱动速度之差亦即驱动速度偏差乘以速度控制增益K_v所得的值相加来确定控制量D_c。此外，位置控制增益K_p以及速度控制增益K_v不光是比例分量也可以包括微分分量、积分分量所涉及的控制增益。对马达M1～M6 的各个确定控制量D_c。根据以上说明的构成，控制终端3能够基于目标位置S_t和目标力f_St来控制臂A。

示教终端4中安装有用于对控制终端3示教目标位置S_t和目标力f_St的示教程序。示教终端4具备处理器、RAM、ROM，这些硬件资源与控制程序进行协作。由此，如图2所示，示教终端4具备第1显示部41、第2显示部42和接受部43作为功能构成。虽然未图示，但示教终端4具备接受来自用户的指示的输入装置(鼠标、键盘、触摸面板等)和对用户输出各种信息的输出装置(显示器、扬声器等)。以下，与流程图一起对第1显示部41、第2显示部42和接受部43进行的处理的详细进行说明。

图3是示教处理的流程图。此外，图3的示教处理是用于将阻抗控制的参数与目标力f_St一起示教的处理，用于示教目标位置S_t的处理另外进行。目标位置S_t能够通过公知的示教手法进行示教，例如用户可以用手使臂A移动来示教目标位置S_t，也可以通过示教终端4指定机器人坐标系中的坐标来示教目标位置S_t。

首先，接受部43使臂A移动到动作开始位置(步骤S100)。即，接受部43使控制终端3执行TCP成为动作开始位置这样的臂A的控制。所谓的动作开始位置是控制臂A以使作用力作用于力传感器FS紧前的 TCP的位置。例如是将末端执行器2把持的工件W向其它物体推压紧前的位置、通过把持加工工具的末端执行器2对其它物体进行加工紧前的位置等。其中，在图3的示教处理中，能够设定目标力f_St和阻抗控制的参数即可，动作开始位置可以不必是实际的作业中控制臂A以使作用力作用到力传感器FS紧前的位置。接下来，接受部43显示GUI (graphical user interface：图形用户界面)(步骤S110)。

图4是表示GUI的图。如图4所示，GUI包括输入窗N1～N3、滑动条H、显示窗Q1、Q2、图表G1、G2、以及按钮B1、B2。接受部 43通过输入装置接受在GUI上进行的操作。

若显示GUI，则接受部43接受力的方向(目标力f_St的方向)和力的大小(目标力f_St的大小)(步骤S120)。在GUI中设置有用于接受力的方向的输入窗N1、和用于接受力的大小的输入窗N2。接受部43在输入窗N1中接受规定机器人坐标系的任意一个轴的方向的输入。另外，接受部43在输入窗N2中接受任意数值的输入。

接下来，接受部43接受虚拟弹性参数k(步骤S130)。在GUI中设置有用于接受虚拟弹性参数k的输入窗N3。接受部43在输入窗N3 中接受任意数值的输入。虚拟弹性参数k相当于第1设定值。在用户想要使工件W或末端执行器2与其它物体柔和地接触的情况下将虚拟弹性参数k设定为较小的值即可。反之，在用户想要使工件W或末端执行器2与其它物体硬性地接触的情况下将虚拟弹性参数k设定为较大的值即可。

若接受虚拟弹性参数k，则第2显示部42利用图表G2显示与虚拟弹性参数k对应的存储波形V(步骤S140)。图表G2的横轴表示时刻，图表G2的纵轴表示作用力。存储波形V为作用力的时间响应波形，预先按照每个虚拟弹性参数k存储在示教终端4的存储介质中。存储波形 V是向输入窗N中接受的大小的力收敛的波形。存储波形V是一般条件下，在控制臂A以使输入窗N2中接受的大小的力被力传感器FS检测出的情况下，力传感器FS检测出的作用力的时间响应波。若虚拟弹性参数k不同则存储波形V的形状(倾斜)较大地不同，所以按照每个虚拟弹性参数k存储存储波形V。

存储波形V是成为用户的目标的波形即可，例如可以是机器人1的制造商推荐的波形，也可以是过去有机器人1正常进行作业的实绩的波形。另外，存储波形V可以按照嵌合作业、研磨作业等作业内容的每个来准备，也可以按照工件W的机械特性(弹性系数、硬度等)、工件W 或末端执行器2接触的物体的机械特性的每个来准备。

接下来，接受部43根据滑动条H上的滑块H1的操作来接受虚拟粘性参数d和虚拟惯性参数m(步骤S150)。在图4的GUI中设置有滑动条H、和能够在该滑动条H上滑动的滑块H1，作为用于接受虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数d的构成。接受部43接受使滑块H1在滑动条H上滑动的操作。此外，在滑动条H上显示有滑块H1越向右方向移动为越重视稳定性的设定、而滑块H1越向左方向移动为越重视响应性的设定。

而且，接受部43获取滑动条H上的滑块H1的滑动位置，并接受与该滑动位置对应的虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数d。具体地，接受部43接受虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数d的设定以使虚拟惯性参数 m与虚拟粘性参数d之比为恒定(例如，m：d＝1：1000)。另外，接受部43将与滑块H1的滑动位置对应的虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数d显示于显示窗Q1、Q2。

此外，在图4的滑动条H中，越使滑块H1向右方向移动，虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数d越大。若虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数 d变大，则TCP的位置难以移动，所以力传感器FS检测的作用力容易稳定。若虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数d变小，则TCP的位置容易移动，所以力传感器FS检测的作用力的响应性变好。此外，滑块H1 相当于能够接受虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数d的设定的单一的操作部。另外，虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数d相当于第2设定值。

接下来，接受部43根据动作按钮B1的操作以当前的设定值控制臂 A(步骤S160)。即，接受部43对控制终端3输出在GUI中所设定的目标力f_St和阻抗控制的参数m、d、k，并进行指令以便基于这些设定值来控制臂A。在图4的GUI的情况下，控制臂A，以使工件W向－ Z方向移动并在－Z方向上工件W与其它物体接触而由力传感器FS检测在GUI中所设定的大小的作用力f_S。

接下来，第2显示部42基于检测值将检测波形L显示于图表G1(步骤S170)。存储波形V是作为力传感器FS检测出的检测值的作用力f_S的时间响应波形。第2显示部42在步骤S160中控制臂A的期间中，按照规定的取样周期从控制终端3获取重力补偿后的作用力f_S，并存储于示教终端4的存储介质中。而且，若步骤S160结束，则从存储介质获取每个取样周期的作用力f_S，并利用图表G1显示该作用力f_S的时间序列的波形亦即检测波形L。图表G1的纵轴和横轴是与图表G2的纵轴和横轴相同的比例尺。当然检测波形L也是向输入窗N中所接受的大小的力收敛的波形。

接下来，接受部43判定决定是否操作了按钮B2(步骤S180)。即，接受部43判定是否接受到用于确定性地决定GUI中所设定的各设定值的操作。

在没有判定为操作了决定按钮B2的情况下(步骤S180：否)，接受部43在GUI中接受设定值的变更(步骤S190)，返回到步骤S160。即，作为用户不能够满足于检测波形L，继续在GUI中接受设定阻抗控制的参数m、d、k的操作。如果接受到设定值的变更后操作决定按钮B2，则通过变更后的设定值控制臂A，利用图表G1对检测波形L进行更新显示。此外，在步骤S190中，在变更了虚拟弹性参数k的情况下，也可以利用图表G2对存储波形V进行更新显示。

另一方面，在判定为操作了决定按钮B2的情况下(步骤S180：是)，接受部43将设定值输出给控制终端3(步骤S200)，并结束示教处理。由此，能够将阻抗控制的参数m、d、k与GUI中所设定的目标力f_St一起示教给控制终端3。

在以上的构成中，与预先存储在存储介质中的存储波形V相比较，用户能够容易地判断力传感器FS实际检测出的检测波形L是否成为所希望的形状，并能够进行虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数d的设定以使检测波形L成为所希望的形状。由于能够设定虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数d以使检测波形L成为所希望的形状，所以能够进行考虑时间响应波形并且自由度较高的控制的设定。用户可以未必设定获得与存储波形V类似的形状的检测波形L的虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数 d，例如用户能够有意图地设定获得收敛比存储波形V快或慢的检测波形L的虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数d。另外，用户能够有意图地设定获得振幅比存储波形V大或小的检测波形L的虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数d。

另外，由于显示与对时间响应波形的影响较大的虚拟弹性参数k对应的存储波形V，所以能够显示在与检测波形L的比较中成为参考的存储波形V。另外，由于通过单一的滑块H1的操作能够进行虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数d的设定，所以能够容易地设定虚拟惯性参数m 和虚拟粘性参数d。由于利用滑动条H表示重视稳定性的方向和重视响应性的方向，所以用户能够直观地设定虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数d。特别是，由于虚拟惯性参数m与虚拟粘性参数d保持恒定的比，所以能够容易地实现重视稳定性的设定和重视响应性的设定。

(2)其它实施方式

机器人1可以不必是6轴的单臂机器人，只要是对应于机器人驱动而在任意的位置作用力的机器人即可。例如，机器人1可以是双臂机器人，也可以是SCARA(选择顺应性装配机器手臂)机器人。另外，力检测器可以不是力传感器FS，而可以是按照关节J1～J6的每个来检测作用于该关节J1～J6的转矩的转矩传感器。另外，也可以代替转矩传感器而基于马达M1～M6的负载来检测转矩。该情况下，可以将阻抗控制的参数与关节J1～J6中的目标的转矩一起示教。

另外，控制终端3进行基于力检测器的检测值、第1设定值和第2 设定值的控制即可，也可以进行阻抗控制以外的力控制。另外，控制终端3可以不必进行考虑了全部三个参数m、d、k的阻抗控制，也可以进行考虑了这些中的一个或者2个的阻抗控制。

另外，接受部43可以不必接受虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数d 的设定以使虚拟惯性参数m与虚拟粘性参数d的比为恒定，虚拟惯性参数m与虚拟粘性参数d之比可以根据滑块H1的位置、其它操作部的操作状况而变化。并且，接受部43可以不必通过单一的操作部(滑块H1)接受虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数d，而可以提供能够分别对熟练的用户等直接输入虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数d的GUI。

另外，在显示与第1设定值对应的存储波形V的构成中，第1设定值可以不必是虚拟弹性参数k，而可以是虚拟惯性参数m和虚拟粘性参数d的至少一方。并且，接受部43可以不必接受第1设定值和第2设定值双方，而至少接受第2设定值即可。例如，接受部43可以不接受作为第1设定值的虚拟弹性参数k，而显示与预先决定的虚拟弹性参数 k对应的存储波形V。

附图标记说明

1…机器人，2…末端执行器，3…控制终端，4…示教终端，31…控制部，41…第1显示部，42…第2显示部，43…接受部，A…臂，A1～ A6…臂部件，B1…动作按钮，B2…决定按钮，m…虚拟惯性参数，d…虚拟粘性参数，k…虚拟弹性参数，D_a…驱动位置，D_c…控制量，D_e…驱动位置偏差，Dt…目标驱动位置，E1～E6…编码器，f…力，FS…力传感器，f_S…作用力，f_St…目标力，G1、G2…图表，H…滑动条，H1…滑块，J1～J6…关节，K_p…位置控制增益，K_v…速度控制增益，M1～M6…马达，U…对应关系，L…检测波形，V…存储波形，W…工件。

Claims (3)

1.一种机器人控制装置，其特征在于，具备：

控制部，其获取驱动机器人的驱动部的驱动位置和由力检测器检测出作用于上述机器人的作用力的检测值，并基于上述检测值、作为虚拟弹性参数的第1设定值和作为虚拟惯性参数和虚拟粘性参数的第2设定值来对上述驱动部进行阻抗控制；

第1显示部，其显示上述检测值的时间响应波形亦即检测波形；

第2显示部，其显示预先存储在存储介质中的上述作用力的时间响应波形亦即存储波形；以及

接受部，接受上述虚拟惯性参数和上述虚拟粘性参数的设定以使得上述虚拟惯性参数与上述虚拟粘性参数的比为恒定。

2.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，

上述接受部接受上述第1设定值的设定，

上述第2显示部从预先存储在上述存储介质中的多个上述存储波形中获取与上述第1设定值对应的上述存储波形，并显示该获取的上述存储波形。

3.一种机器人系统，其特征在于，具备：

驱动部，其驱动机器人；

力检测器，其对作用于上述机器人的力进行检测；

控制部，其基于上述力检测器的检测值、作为虚拟弹性参数的第1设定值和作为虚拟惯性参数和虚拟粘性参数的第2设定值来对上述驱动部进行阻抗控制；

第1显示部，其显示上述力检测器检测出的检测值的时间响应波形亦即检测波形；

第2显示部，其显示预先存储在存储介质中的时间响应波形亦即存储波形；以及

接受部，接受上述虚拟惯性参数和上述虚拟粘性参数的设定以使得上述虚拟惯性参数与上述虚拟粘性参数的比为恒定。

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